5. 数组

捞月亮的小北

发布于 2023-12-01 11:23:06

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1. 数组的概述

1.1 数组的概念

数组(Array) , 是多个相同类型数据按一定顺序排列的集合，并使用一个名字命名，并通过编号的方式对这些数据进行统一管理
数组中的概念
- 数组名
- 下标(索引)
- 元素
- 数组的长度

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数组的特点：

数组本身是引用数据类型，而数组中的元素可以是任何数据类型，包括基本数据类型和引用数据类型。
创建数组对象会在内存中开辟一整块连续的空间。占据的空间的大小，取决于数组的长度和数组中元素的类型。
数组中的元素在内存中是依次紧密排列的，有序的。
数组，一旦初始化完成，其长度就是确定的。数组的长度一旦确定，就不能修改。
我们可以直接通过下标(或索引)的方式调用指定位置的元素，速度很快。
数组名中引用的是这块连续空间的首地址。

1.2 数组的分类

按照元素类型分：
- 基本数据类型元素的数组：每个元素位置存储基本数据类型的值
- 引用数据类型元素的数组：每个元素位置存储对象（本质是存储对象的首地址）（在面向对象部分讲解）
按照维度分：
- 一维数组：存储一组数据
- 二维数组：储多组数据，相当于二维表，一行代表一组数据，只是这里的二维表每一行长度不要求一样。

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2. 一维数组的使用

2.1 一维数组的声明

格式：

//推荐
元素的数据类型[] 一维数组的名称;

//不推荐
元素的数据类型  一维数组名[];

举例：

int[] arr;
int arr1[];
double[] arr2;
String[] arr3;  //引用类型变量数组

数组的声明 , 需要明确：

（1）数组的维度：在Java中数组的符号是[]，[]表示一维，[][]表示二维。

（2）数组的元素类型：即创建的数组容器可以存储什么数据类型的数据。元素的类型可以是任意的Java的数据类型。例如：int、String、Student等。

（3）数组名：就是代表某个数组的标识符，数组名其实也是变量名，按照变量的命名规范来命名。数组名是个引用数据类型的变量，因为它代表一组数据。

举例：

public class ArrayTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        //比如，要存储一个小组的成绩
        int[] scores;
        int grades[];
//        System.out.println(scores);//未初始化不能使用

        //比如，要存储一组字母
        char[] letters;

        //比如，要存储一组姓名
        String[] names;

        //比如，要存储一组价格
        double[] prices;

    }
}

注意：Java语言中声明数组时不能指定其长度(数组中元素的个数)。例如： int a[5]; //非法

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2.2 一维数组的初始化

静态初始化：

如果数组变量的初始化和数组元素的赋值操作同时进行，那就称为静态初始化。

静态初始化，本质是用静态数据（编译时已知）为数组初始化。此时数组的长度由静态数据的个数决定。

一维数组声明和静态初始化格式1：

数据类型[] 数组名 = new 数据类型[]{元素1,元素2,元素3,...};

或
  
数据类型[] 数组名;
数组名 = new 数据类型[]{元素1,元素2,元素3,...};

new : 关键字，创建数组使用的关键字，因为数组本身是引用的数据类型，所以要用new创建数组实体。

一维数组声明和静态初始化格式2：

//必须在一个语句中完成，不能分成两个语句写
数据类型[] 数组名 = {元素1,元素2,元素3...};

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动态初始化：

数组变量的初始化和数组元素的赋值操作分开进行，即为动态初始化。

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动态初始化中，只确定了元素的个数(即数组的长度) ，而元素此时还是默认值，并未真正的赋值

格式：

数组存储的元素的数据类型[] 数组名字 = new 数组存储的元素的数据类型[长度];

或

数组存储的数据类型[] 数组名字;
数组名字 = new 数组存储的数据类型[长度];

[长度]：数组的长度，表示数组容器中可以最多存储多少个元素。
注意：数组有定长特性，长度一旦指定，不可更改。和水杯道理相同，买了一个2升的水杯，总容量就是2升是固定的。

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2.3 一维数组的使用

2.3.1 数组的长度

数组的元素总个数，即数组的长度
每个数组都有一个属性length指明它的长度
每个数组都具有长度，而且一旦初始化，其长度就是确定，且是不可变的

2.3.2 数组元素的引用

数组名[索引/下标]

数组的下标范围：

Java中数组的下标从[0]开始，下标范围是[0, 数组的长度-1]，即[0, 数组名.length-1]

数组元素下标可以是整型常量或整型表达式。如a[3] , b[i] , c[6*i];

2.4 一维数组的遍历

将数组中的每个元素分别取出来，就是遍历。 其中： for 循环与数组的遍历是绝配

举例：

public class ArrayTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1,2,3,4,5};
        //打印数组的属性，输出结果是5
        System.out.println("数组的长度：" + arr.length);

        //遍历输出数组中的元素
        System.out.println("数组的元素有：");
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            System.out.println(arr[i]);
        }
    }
}

2.5 数组元素的默认值

数组是引用类型，当使用动态初始化方式创建数组时，元素值只是默认值

int a[]= new int[5]; 
System.out.println(a[3]); //a[3]的默认值为0

对于引用数据类型而言，默认初始化值为： null

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3. 一维数组内存分析

3.1 Java虚拟机的内存划分

为了提高运算效率，就对空间进行了不同区域的划分，因为每一片区域都有特定的处理数据方式和内存管理方式。

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区域名称	作用
虚拟机栈	用于存储正在执行的每个Java方法的局部变量表等。局部变量表存放了编译期可知长度的各种基本数据类型、对象引用，方法执行完，自动释放。
堆内存	存储对象（包括数组对象），new来创建的，都存储在堆内存。
方法区	存储已被虚拟机加载的类信息、常量、（静态变量）、即时编译器编译后的代码等数据。
本地方法栈	当程序中调用了native的本地方法时，本地方法执行期间的内存区域
程序计数器	程序计数器是CPU中的寄存器，它包含每一个线程下一条要执行的指令的地址

3.2 一维数组在内存中存储

3.2.1 一个一维数组的内存图

public static void main(String[] args) {
  	int[] arr = new int[3];
  	System.out.println(arr);//[I@5f150435
}

3.2.2 数组小标为什么是从0开始的

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因为第一个元素距离数组首地址间隔0个单元格。

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3.2.3 两个一维数组内存图

‍

其中两个数组相互独立

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = new int[3];
    int[] arr2 = new int[2];
    System.out.println(arr);
    System.out.println(arr2);
}

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3.2.4 两个变量指向一个一维数组

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两个数组变量本质上代表同一个数组。

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4. 一维数组的应用

案例1：升景坊单间短期出租4个月，550元/月（水电煤公摊，网费35元/月），空调、卫生间、厨房齐全。屋内均是IT行业人士，喜欢安静。所以要求来租者最好是同行或者刚毕业的年轻人，爱干净、安静。

public class ArrayTest {
      public static void main(String[] args) {
      int[] arr = new int[]{8,2,1,0,3};
      int[] index = new int[]{2,0,3,2,4,0,1,3,2,3,3};
      String tel = "";
      for(int i = 0;i < index.length;i++){
            tel += arr[index[i]];
      }
      System.out.println("联系方式：" + tel);
      }
}

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5. 多维数组的使用

5.1 概述

把一维数组当成几何中的现行图形，那么二维数组就相当于是一个表格，像Excel中的表格，围棋棋盘一样

5.2 声明与初始化

5.2.1 声明

二维数组的语法格式：

//推荐
元素的数据类型[][] 二维数组的名称;

//不推荐
元素的数据类型  二维数组名[][];
//不推荐
元素的数据类型[]  二维数组名[];

例如：

//存储多组成绩
int[][] grades;

//存储多组姓名
String[][] names;

面试：

int[] x, y[];
//x是一维数组，y是二维数组

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5.2.2 静态初始化

格式：

int[][] arr = new int[][]{{3,8,2},{2,7},{9,0,1,6}};

定义一个名称为arr的二维数组，二维数组中有三个一维数组

每一个一维数组中具体元素也都已初始化
- 第一个一维数组 arr[0] = {3,8,2};
- 第二个一维数组 arr[1] = {2,7};
- 第三个一维数组 arr[2] = {9,0,1,6};
第三个一维数组的长度表示方式：arr[2].length;

注意特殊写法情况：int[] x,y[]; x是一维数组，y是二维数组。

5.2.3 动态初始化

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如果二维数组的每一个数据，甚至是每一行的列数，需要后期单独确定，那么就只能使用动态初始化方式了。动态初始化方式分为两种格式：

格式1：规则二维表：每一行的列数是相同的

//（1）确定行数和列数
元素的数据类型[][] 二维数组名 = new 元素的数据类型[m][n];
//其中，m:表示这个二维数组有多少个一维数组。或者说一共二维表有几行
//其中，n:表示每一个一维数组的元素有多少个。或者说每一行共有一个单元格

//此时创建完数组，行数、列数确定，而且元素也都有默认值

//（2）再为元素赋新值
二维数组名[行下标][列下标] = 值;

格式2：不规则：每一行的列数不一样

//（1）先确定总行数
元素的数据类型[][] 二维数组名 = new 元素的数据类型[总行数][];

//此时只是确定了总行数，每一行里面现在是null

//（2）再确定每一行的列数，创建每一行的一维数组
二维数组名[行下标] = new 元素的数据类型[该行的总列数];

//此时已经new完的行的元素就有默认值了，没有new的行还是null

//(3)再为元素赋值
二维数组名[行下标][列下标] = 值;

5.3 数组的长度和角标

维数组的长度/行数：二维数组名.length
二维数组的某一行：二维数组名[行下标]，此时相当于获取其中一组数据。它本质上是一个一维数组。行下标的范围：[0, 二维数组名.length-1]。此时把二维数组看成一维数组的话，元素是行对象。
某一行的列数：二维数组名[行下标].length，因为二维数组的每一行是一个一维数组。
某一个元素：二维数组名[行下标][列下标]，即先确定行/组，再确定列。

5.4 二维数组的遍历

格式：

for(int i=0; i<二维数组名.length; i++){ //二维数组对象.length
    for(int j=0; j<二维数组名[i].length; j++){//二维数组行对象.length
        System.out.print(二维数组名[i][j]);
    }
    System.out.println();
}

6. 数组的常见算法

6.1 数值型数组特征值统计

特征值涉及到：平均值，最大值，最小值，总和等

举例1：数组统计：求总和、均值

public class TestArrayElementSum {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4,5,6,1,9};
        //求总和、均值
        int sum = 0;//因为0加上任何数都不影响结果
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            sum += arr[i];
        }
        double avg = (double)sum/arr.length;

        System.out.println("sum = " + sum);
        System.out.println("avg = " + avg);
    }
}

举例2：求数组元素的总乘积

public class TestArrayElementMul {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4,5,6,1,9};

        //求总乘积
        long result = 1;//因为1乘以任何数都不影响结果
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            result *= arr[i];
        }

        System.out.println("result = " + result);
    }
}

举例3：求数组元素中偶数的个数

public class TestArrayElementEvenCount {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4,5,6,1,9};
        //统计偶数个数
        int evenCount = 0;
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            if(arr[i]%2==0){
                evenCount++;
            }
        }

        System.out.println("evenCount = " + evenCount);
    }
}

举例4：求数组元素的最大值

public class TestArrayMax {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4,5,6,1,9};
        //找最大值
        int max = arr[0];
        for(int i=1; i<arr.length; i++){//此处i从1开始，是max不需要与arr[0]再比较一次了
            if(arr[i] > max){
                max = arr[i];
            }
        }

        System.out.println("max = " + max);
    }
}

举例5：找最值及其第一次出现的下标

public class TestMaxIndex {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4,5,6,1,9};
        //找最大值以及第一个最大值下标
        int max = arr[0];
        int index = 0;
        for(int i=1; i<arr.length; i++){
            if(arr[i] > max){
                max = arr[i];
                index = i;
            }
        }

        System.out.println("max = " + max);
        System.out.println("index = " + index);
    }
}

举例6：找最值及其所有最值的下标

public class Test13AllMaxIndex {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4,5,6,1,9,9,3};
        //找最大值
        int max = arr[0];
        for(int i=1; i<arr.length; i++){
            if(arr[i] > max){
                max = arr[i];
            }
        }
        System.out.println("最大值是：" + max);
        System.out.print("最大值的下标有：");

        //遍历数组，看哪些元素和最大值是一样的
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            if(max == arr[i]){
                System.out.print(i+"\t");
            }
        }
        System.out.println();
    }
}

优化

public class Test13AllMaxIndex2 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4,5,6,1,9,9,3};
        //找最大值
        int max = arr[0];
        String index = "0";
        for(int i=1; i<arr.length; i++){
            if(arr[i] > max){
                max = arr[i];
                index = i + "";
            }else if(arr[i] == max){
                index += "," + i;
            }
        }

        System.out.println("最大值是" + max);
        System.out.println("最大值的下标是[" + index+"]");
    }
}

举例7(难)：输入一个整形数组，数组里有正数也有负数。数组中连续的一个或多个整数组成一个子数组，每个子数组都有一个和。求所有子数组的和的最大值。要求时间复杂度为O(n)。** **例如：输入的数组为1, -2, 3, -10, -4, 7, 2, -5，和最大的子数组为3, 10, -4, 7, 2，因此输出为该子数组的和18。

public class Test5 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1, -2, 3, 10, -4, 7, 2, -5};
        int i = getGreatestSum(arr);
        System.out.println(i);
    }
  
    public static int getGreatestSum(int[] arr){
        int greatestSum = 0;
        if(arr == null || arr.length == 0){
            return 0;
        }
        int temp = greatestSum;
        for(int i = 0;i < arr.length;i++){
            temp += arr[i];
        
            if(temp < 0){
                temp = 0;
            }
        
            if(temp > greatestSum){
                greatestSum = temp;
            }
        }
        if(greatestSum == 0){
            greatestSum = arr[0];
            for(int i = 1;i < arr.length;i++){
                if(greatestSum < arr[i]){
                    greatestSum = arr[i];
                }
            }
        }
        return greatestSum;
    }
}

举例8：评委打分

分析以下需求，并用代码实现：

（1）在编程竞赛中，有10位评委为参赛的选手打分，分数分别为：5，4，6，8，9，0，1，2，7，3

（2）求选手的最后得分（去掉一个最高分和一个最低分后其余8位评委打分的平均值）

/**
 * @author 尚硅谷-宋红康
 * @create 10:03
 */
public class ArrayExer {
    public static void main(String[] args) {
        int[] scores = {5,4,6,8,9,0,1,2,7,3};

        int max = scores[0];
        int min = scores[0];
        int sum = 0;
        for(int i = 0;i < scores.length;i++){
            if(max < scores[i]){
                max = scores[i];
            }

            if(min > scores[i]){
                min = scores[i];
            }

            sum += scores[i];
        }

        double avg = (double)(sum - max - min) / (scores.length - 2);

        System.out.println("选手去掉最高分和最低分之后的平均分为：" + avg);
    }
}

6.2 数组元素的赋值与数组复制

6.3 数组元素的反转

6.4 数组的扩容与缩容

6.5 数组元素的查找

6.6 数组元素的排序

7. Arrays工具类的使用

java.util.Arrays类即为操作数组的工具类，包含了用来操作数组（比如排序和搜索）的各种方法。比如：

数组元素拼接
- static String toString(int[] a) ：字符串表示形式由数组的元素列表组成，括在方括号（"[]"）中。相邻元素用字符 ", "（逗号加空格）分隔。形式为：[元素1，元素2，元素3。。。]
- static String toString(Object[] a) ：字符串表示形式由数组的元素列表组成，括在方括号（"[]"）中。相邻元素用字符 ", "（逗号加空格）分隔。元素将自动调用自己从Object继承的toString方法将对象转为字符串进行拼接，如果没有重写，则返回类型@hash值，如果重写则按重写返回的字符串进行拼接。
数组排序
- static void sort(int[] a) ：将a数组按照从小到大进行排序
- static void sort(int[] a, int fromIndex, int toIndex) ：将a数组的[fromIndex, toIndex)部分按照升序排列
- static void sort(Object[] a) ：根据元素的自然顺序对指定对象数组按升序进行排序。
- static void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) ：根据指定比较器产生的顺序对指定对象数组进行排序。
数组元素的二分查找
- static int binarySearch(int[] a, int key) 、static int binarySearch(Object[] a, Object key) ：要求数组有序，在数组中查找key是否存在，如果存在返回第一次找到的下标，不存在返回负数。
数组的复制
- static int[] copyOf(int[] original, int newLength) ：根据original原数组复制一个长度为newLength的新数组，并返回新数组
- static T[] copyOf(T[] original,int newLength)：根据original原数组复制一个长度为newLength的新数组，并返回新数组
- static int[] copyOfRange(int[] original, int from, int to) ：复制original原数组的[from,to)构成新数组，并返回新数组
- static T[] copyOfRange(T[] original,int from,int to)：复制original原数组的[from,to)构成新数组，并返回新数组
比较两个数组是否相等
- static boolean equals(int[] a, int[] a2) ：比较两个数组的长度、元素是否完全相同
- static boolean equals(Object[] a,Object[] a2)：比较两个数组的长度、元素是否完全相同
填充数组
- static void fill(int[] a, int val) ：用val值填充整个a数组
- static void fill(Object[] a,Object val)：用val对象填充整个a数组
- static void fill(int[] a, int fromIndex, int toIndex, int val)：将a数组[fromIndex,toIndex)部分填充为val值
- static void fill(Object[] a, int fromIndex, int toIndex, Object val) ：将a数组[fromIndex,toIndex)部分填充为val对象

举例：java.util.Arrays类的sort()方法提供了数组元素排序功能：

import java.util.Arrays;
public class SortTest {
	public static void main(String[] args) {
		int[] arr = {3, 2, 5, 1, 6};
        System.out.println("排序前" + Arrays.toString(arr));
        Arrays.sort(arr);
        System.out.println("排序后" + Arrays.toString(arr));
	}
}